基于V4L2的视频驱动开发（2）
作者：刘洪涛,华清远见嵌入式学院讲师。
三、 V4L2 API及数据结构
V4L2是V4L的升级版本，为linux下视频设备程序提供了一套接口规范。包括一套数据结构和底层V4L2驱动接口。
1、常用的结构体在内核目录include/linux/videodev2.h中定义
struct v4l2_requestbuffers //申请帧缓冲，对应命令VIDIOC_REQBUFS
struct v4l2_capability //视频设备的功能，对应命令VIDIOC_QUERYCAP
struct v4l2_input //视频输入信息，对应命令VIDIOC_ENUMINPUT
struct v4l2_standard //视频的制式，比如PAL，NTSC，对应命令VIDIOC_ENUMSTD
struct v4l2_format //帧的格式，对应命令VIDIOC_G_FMT、VIDIOC_S_FMT等
struct v4l2_buffer //驱动中的一帧图像缓存，对应命令VIDIOC_QUERYBUF
struct v4l2_crop //视频信号矩形边框
v4l2_std_id //视频制式
2、常用的IOCTL接口命令也在include/linux/videodev2.h中定义
VIDIOC_REQBUFS //分配内存
VIDIOC_QUERYBUF //把VIDIOC_REQBUFS中分配的数据缓存转换成物理地址
VIDIOC_QUERYCAP //查询驱动功能
VIDIOC_ENUM_FMT //获取当前驱动支持的视频格式
VIDIOC_S_FMT //设置当前驱动的频捕获格式
VIDIOC_G_FMT //读取当前驱动的频捕获格式
VIDIOC_TRY_FMT //验证当前驱动的显示格式
VIDIOC_CROPCAP //查询驱动的修剪能力
VIDIOC_S_CROP //设置视频信号的矩形边框
VIDIOC_G_CROP //读取视频信号的矩形边框
VIDIOC_QBUF //把数据从缓存中读取出来
VIDIOC_DQBUF //把数据放回缓存队列
VIDIOC_STREAMON //开始视频显示函数
VIDIOC_STREAMOFF //结束视频显示函数
VIDIOC_QUERYSTD //检查当前视频设备支持的标准，例如PAL或NTSC。
3、操作流程
V4L2提供了很多访问接口，你可以根据具体需要选择操作方法。需要注意的是，很少有驱动完全实现了所有的接口功能。所以在使用时需要参考驱动源码，或仔细阅读驱动提供者的使用说明。
下面列举出一种操作的流程，供参考。
（1）打开设备文件
int fd = open(Devicename,mode);
Devicename：/dev/video0、/dev/video1 ……
Mode：O_RDWR [| O_NONBLOCK]
如果使用非阻塞模式调用视频设备，则当没有可用的视频数据时，不会阻塞，而立刻返回。
（2）取得设备的capability
struct v4l2_capability capability；
int ret = ioctl(fd, VIDIOC_QUERYCAP, &capability);
看看设备具有什么功能，比如是否具有视频输入特性。
（3）选择视频输入
struct v4l2_input input；
……初始化input
int ret = ioctl(fd, VIDIOC_QUERYCAP, &input);
一个视频设备可以有多个视频输入。如果只有一路输入，这个功能可以没有。
（4）检测视频支持的制式
v4l2_std_id std;
do {
ret = ioctl(fd, VIDIOC_QUERYSTD, &std);
} while (ret == -1 && errno == EAGAIN);
switch (std) {
case V4L2_STD_NTSC:
//……
case V4L2_STD_PAL:
//……
}
（5）设置视频捕获格式
struct v4l2_format fmt;
fmt.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_OUTPUT;
fmt.fmt.pix.pixelformat = V4L2_PIX_FMT_UYVY;
fmt.fmt.pix.height = height;
fmt.fmt.pix.width = width;
fmt.fmt.pix.field = V4L2_FIELD_INTERLACED;
ret = ioctl(fd, VIDIOC_S_FMT, &fmt);
if(ret) {
perror("VIDIOC_S_FMT/n");
close(fd);
return -1;
}
（6）向驱动申请帧缓存
struct v4l2_requestbuffers req;
if (ioctl(fd, VIDIOC_REQBUFS, &req) == -1) {
return -1;
}
v4l2_requestbuffers结构中定义了缓存的数量，驱动会据此申请对应数量的视频缓存。多个缓存可以用于建立FIFO，来提高视频采集的效率。
（7）获取每个缓存的信息，并mmap到用户空间
typedef struct VideoBuffer {
void *start;
size_t length;
} VideoBuffer;
VideoBuffer* buffers = calloc( req.count, sizeof(*buffers) );
struct v4l2_buffer buf;
for (numBufs = 0; numBufs < req.count; numBufs++) {//映射所有的缓存
memset( &buf, 0, sizeof(buf) );
buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP;
buf.index = numBufs;
if (ioctl(fd, VIDIOC_QUERYBUF, &buf) == -1) {//获取到对应index的缓存信息，此处主要利用length信息及offset信息来完成后面的mmap操作。
return -1;
}
buffers[numBufs].length = buf.length;
// 转换成相对地址
buffers[numBufs].start = mmap(NULL, buf.length,
PROT_READ | PROT_WRITE,
MAP_SHARED,
fd, buf.m.offset);
if (buffers[numBufs].start == MAP_FAILED) {
return -1;
}
（8）开始采集视频
int buf_type= V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE；
int ret = ioctl(fd, VIDIOC_STREAMON, &buf_type);
（9）取出FIFO缓存中已经采样的帧缓存
struct v4l2_buffer buf;
memset(&buf,0,sizeof(buf));
buf.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;
buf.memory=V4L2_MEMORY_MMAP;
buf.index=0;//此值由下面的ioctl返回
if (ioctl(fd, VIDIOC_DQBUF, &buf) == -1)
{
return -1;
}
根据返回的buf.index找到对应的mmap映射好的缓存，取出视频数据。
（10）将刚刚处理完的缓冲重新入队列尾，这样可以循环采集
if (ioctl(fd, VIDIOC_QBUF, &buf) == -1) {
return -1;
}
（11）停止视频的采集
int ret = ioctl(fd, VIDIOC_STREAMOFF, &buf_type);
（12）关闭视频设备
close(fd);
四、 V4L2驱动框架
上述流程的各个操作都需要有底层V4L2驱动的支持。内核中有一些非常完善的例子。
比如：linux-2.6.26内核目录/drivers/media/video//zc301/zc301_core.c 中的ZC301视频驱动代码。上面的V4L2操作流程涉及的功能在其中都有实现。
1、V4L2驱动注册、注销函数
Video核心层（drivers/media/video/videodev.c）提供了注册函数
int video_register_device(struct video_device *vfd, int type, int nr)
video_device: 要构建的核心数据结构
Type: 表示设备类型，此设备号的基地址受此变量的影响
Nr: 如果end-base>nr>0 ：次设备号=base（基准值，受type影响）+nr；
否则：系统自动分配合适的次设备号
具体驱动只需要构建video_device结构，然后调用注册函数既可。
如：zc301_core.c中的
err = video_register_device(cam->v4ldev, VFL_TYPE_GRABBER,
video_nr[dev_nr]);
Video核心层（drivers/media/video/videodev.c）提供了注销函数
void video_unregister_device(struct video_device *vfd)
2、struct video_device 的构建
video_device结构包含了视频设备的属性和操作方法。参见zc301_core.c
strcpy(cam->v4ldev->name, "ZC0301[P] PC Camera");
cam->v4ldev->owner = THIS_MODULE;
cam->v4ldev->type = VID_TYPE_CAPTURE | VID_TYPE_SCALES;
cam->v4ldev->fops = &zc0301_fops;
cam->v4ldev->minor = video_nr[dev_nr];
cam->v4ldev->release = video_device_release;
video_set_drvdata(cam->v4ldev, cam);
大家发现在这个zc301的驱动中并没有实现struct video_device中的很多操作函数，如：vidioc_querycap、vidioc_g_fmt_cap等。主要原因是struct file_operations zc0301_fops中的zc0301_ioctl实现了前面的所有ioctl操作。所以就不需要在struct video_device再实现struct video_device中的那些操作了。
另一种实现方法如下：
static struct video_device camif_dev =
{
.name = "s3c2440 camif",
.type = VID_TYPE_CAPTURE|VID_TYPE_SCALES|VID_TYPE_SUBCAPTURE,
.fops = &camif_fops,
.minor = -1,
.release = camif_dev_release,
.vidioc_querycap = vidioc_querycap,
.vidioc_enum_fmt_cap = vidioc_enum_fmt_cap,
.vidioc_g_fmt_cap = vidioc_g_fmt_cap,
.vidioc_s_fmt_cap = vidioc_s_fmt_cap,
.vidioc_queryctrl = vidioc_queryctrl,
.vidioc_g_ctrl = vidioc_g_ctrl,
.vidioc_s_ctrl = vidioc_s_ctrl,
};
static struct file_operations camif_fops =
{
.owner = THIS_MODULE,
.open = camif_open,
.release = camif_release,
.read = camif_read,
.poll = camif_poll,
.ioctl = video_ioctl2, /* V4L2 ioctl handler */
.mmap = camif_mmap,
.llseek = no_llseek,
};
注意：video_ioctl2是videodev.c中是实现的。video_ioctl2中会根据ioctl不同的cmd来调用video_device中的操作方法。
3、Video核心层的实现
参见内核/drivers/media/videodev.c
（1）注册256个视频设备
static int __init videodev_init(void)
{
int ret;
if (register_chrdev(VIDEO_MAJOR, VIDEO_NAME, &video_fops)) {
return -EIO;
}
ret = class_register(&video_class);
……
}
上面的代码注册了256个视频设备，并注册了video_class类。video_fops为这256个设备共同的操作方法。
（2）V4L2驱动注册函数的实现
int video_register_device(struct video_device *vfd, int type, int nr)
{
int i=0;
int base;
int end;
int ret;
char *name_base;
switch(type) //根据不同的type确定设备名称、次设备号
{
case VFL_TYPE_GRABBER:
base=MINOR_VFL_TYPE_GRABBER_MIN;
end=MINOR_VFL_TYPE_GRABBER_MAX+1;
name_base = "video";
break;
case VFL_TYPE_VTX:
base=MINOR_VFL_TYPE_VTX_MIN;
end=MINOR_VFL_TYPE_VTX_MAX+1;
name_base = "vtx";
break;
case VFL_TYPE_VBI:
base=MINOR_VFL_TYPE_VBI_MIN;
end=MINOR_VFL_TYPE_VBI_MAX+1;
name_base = "vbi";
break;
case VFL_TYPE_RADIO:
base=MINOR_VFL_TYPE_RADIO_MIN;
end=MINOR_VFL_TYPE_RADIO_MAX+1;
name_base = "radio";
break;
default:
printk(KERN_ERR "%s called with unknown type: %d/n",
__func__, type);
return -1;
}
/* 计算出次设备号 */
mutex_lock(&videodev_lock);
if (nr >= 0 && nr < end-base) {
/* use the one the driver asked for */
i = base+nr;
if (NULL != video_device[i]) {
mutex_unlock(&videodev_lock);
return -ENFILE;
}
} else {
/* use first free */
for(i=base;i<end;i++)
if (NULL == video_device[i])
break;
if (i == end) {
mutex_unlock(&videodev_lock);
return -ENFILE;
}
}
video_device[i]=vfd; //保存video_device结构指针到系统的结构数组中，最终的次设备号和i相关。
vfd->minor=i;
mutex_unlock(&videodev_lock);
mutex_init(&vfd->lock);
/* sysfs class */
memset(&vfd->class_dev, 0x00, sizeof(vfd->class_dev));
if (vfd->dev)
vfd->class_dev.parent = vfd->dev;
vfd->class_dev.class = &video_class;
vfd->class_dev.devt = MKDEV(VIDEO_MAJOR, vfd->minor);
sprintf(vfd->class_dev.bus_id, "%s%d", name_base, i - base);//最后在/dev目录下的名称
ret = device_register(&vfd->class_dev);//结合udev或mdev可以实现自动在/dev下创建设备节点
……
}
从上面的注册函数中可以看出V4L2驱动的注册事实上只是完成了设备节点的创建，如：/dev/video0。和video_device结构指针的保存。
（3）视频驱动的打开过程
当用户空间调用open打开对应的视频文件时，如：
int fd = open(/dev/video0, O_RDWR);
对应/dev/video0的文件操作结构是/drivers/media/videodev.c中定义的video_fops。
static const struct file_operations video_fops=
{
.owner = THIS_MODULE,
.llseek = no_llseek,
.open = video_open,
};
奇怪吧，这里只实现了open操作。那么后面的其它操作呢？还是先看看video_open吧。
static int video_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
unsigned int minor = iminor(inode);
int err = 0;
struct video_device *vfl;
const struct file_operations *old_fops;
if(minor>=VIDEO_NUM_DEVICES)
return -ENODEV;
mutex_lock(&videodev_lock);
vfl=video_device[minor];
if(vfl==NULL) {
mutex_unlock(&videodev_lock);
request_module("char-major-%d-%d", VIDEO_MAJOR, minor);
mutex_lock(&videodev_lock);
vfl=video_device[minor]; //根据次设备号取出video_device结构
if (vfl==NULL) {
mutex_unlock(&videodev_lock);
return -ENODEV;
}
}
old_fops = file->f_op;
file->f_op = fops_get(vfl->fops);//替换此打开文件的file_operation结构。后面的其它针对此文件的操作都由新的结构来负责了。也就是由每个具体的video_device的fops负责。
if(file->f_op->open)
err = file->f_op->open(inode,file);
if (err) {
fops_put(file->f_op);
file->f_op = fops_get(old_fops);
}
……
}
以上是我对V4L2的一些理解，希望能对大家了解V4L2有一些帮助！